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新世代USB Type-C充電裝置 集成完整防護方案

  • 尤嘉禾
圖一、USB Type-C連接器引腳示意圖。

台北訊

近期,充電裝置被廣泛應用在行動電話、平板電腦、電動車、筆記型電腦等電子產品裝置上,而在充電裝置的應用上,USB插頭是目前最被廣泛使用的連接器(connector),但是USB Type-C連接阜的插頭則是最近最火熱的明星,因為它不只支援高速的資料及影像傳輸,更能支援超高功率的傳遞(Power delivery;PD)(註1)及正反插拔的應用,它是一種全新的插頭、插拔及傳輸線的標準,而且與既有的USB介面相容。本篇文章將討論這種全新USB Type-C連接器的特徵及其能力,並探討它潛在容易對系統造成損壞及故障,最後並提出完整解決方案。

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圖二、CC及SBU引腳相對應的ESD防護電路的TLP曲線。(參考:註1.USB_PD_R2_0 V1.1。註2.TI TPD8S300) 

USB Type-C的優點

USB Type-C連接器的第一項優點是它是一種對稱性的結構,形成一種可以正反插拔的小尺寸插頭。它能夠支援主機(host)或裝置 (device)模式,共有24根引腳,對稱的分布於連接器上下兩邊,其尺寸與Micro-USB差不多。

USB Type-C連接器的第二項優點則是支援超高功率的傳遞,比傳統USB連接器要高出很多,在高階的應用上,USB Type-C的標準可以支援的功率延伸到100瓦,而且允許功率輸出的源頭(source)可以動態的調整電流範圍從0.5A∼5A,而Vbus上的最高電壓則為20V,如此可讓終端產品從桌上型電腦到行動電話都能應用並能快速充電,增加生活上的便利性。

USB Type-C的潛在風險

雖然USB Type-C 連接器有上述幾項優點,但是它也有潛在的風險。它的第一項風險是它是一種引腳到引腳間距很小的對稱性結構,在USB Type-C中,引腳到引腳間距只有很小的0.5mm,這個間距只有USB Type-A 連接器間距的20%,這麼小的間距很容易在碰觸或插拔的過程中,造成引腳與相鄰引腳間的瞬間短路,尤其是與Vbus相鄰的引腳(CC1, CC2, SBU1, SBU2),如圖一所示。

而這種短路的發生很容易在實驗室的測試中常重複出現。此外,第二項風險則是由於引腳的老化,容易造成引腳受力扭曲變形,這也會發生Vbus與相鄰的引腳短路,進而破壞內部系統。

而第三項風險則是來自於山寨的功率適配器(power adaptor),這種適配器可能不符合Type-C相容性的規範,在與PD溝通之前就先輸出20V的電壓在Vbus上,這會對只有支援5V的裝置造成破壞。

又或者這種適配器可能直接把CC的引腳拉高的電壓直接短路至Vbus上,而不是經由降壓電路的輸出電壓,這也會對內部系統造成破壞。為了解決上述幾項會造成系統損壞的風險,在 USB Type-C連接器的應用上需要有適當的防護措施,以下將提出完整的解決方法。

USB Type-C潛在風險的解決方案

首先須認知USB Type-C是一個熱插拔的系統,因此,連接器的元件端容易受到ESD或EOS事件的破壞。所以為了解決上述幾項提過會造成系統損壞的風險之外,Type-C連接器所有的引腳(除了GND)當然也不例外需具備ESD或EOS的防護功能。

另外為了解決上述系統損壞的風險,CC與SBU引腳對應到的電路或元件需能耐受20V以上的直流電壓,因為目前市場上所有USB PD的控制器(controller),其CC與SBU的耐受能力都在6V以下。

因為需考慮CC與SBU引腳要耐受20V以上的直流電壓(註2),所以包含結合過電壓保護(OVP)及IEC ESD防護的方法才是最佳的Type-C系統整合方案。

不過對Type-C充電裝置而言,在結合過電壓保護(OVP)及IEC ESD防護能力的方案中,需特別注意CC及SBU引腳相對應的ESD防護電路的TLP曲線,需符合不會有突然拉回(snapback)的現象,如圖二所示。因為如果會突然拉回,在短路到Vbus時,會發生大電流的導通,導致CC與SBU內部系統的損壞。(本文由晶焱科技設計研發部鄭俊一提供,DIGITIMES尤嘉禾整理報導)